Hoe vind je nieuwe materialen met heel specifieke eigenschappen, bijvoorbeeld speciale elektronische eigenschappen die nodig zijn voor kwantumcomputers? Dat is meestal een heel ingewikkelde opgave:er ontstaan ​​verschillende verbindingen, waarin potentieel kansrijke atomen in bepaalde kristalstructuren zijn gerangschikt, en vervolgens wordt het materiaal onderzocht, bijvoorbeeld in het lagetemperatuurlaboratorium van de TU Wien.

Nu is een samenwerking tussen Rice University (Texas), TU Wien en andere internationale onderzoeksinstellingen erin geslaagd geschikt materiaal op de computer op te sporen. Nieuwe theoretische methoden worden gebruikt om bijzonder veelbelovende kandidaten te identificeren uit het grote aantal mogelijke materialen. Metingen aan de TU Wien hebben uitgewezen dat de materialen inderdaad de gewenste eigenschappen hebben en de methode werkt. Dit is een belangrijke stap voorwaarts voor onderzoek naar kwantummaterialen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

Topologische halfmetalen

Rice University in Texas en TU Wien hebben de afgelopen jaren al zeer succesvol samengewerkt in de zoektocht naar nieuwe kwantummaterialen met zeer bijzondere eigenschappen:in 2017 presenteerden de twee onderzoeksgroepen het eerste zogenaamde "Weyl-Kondo semimetal" - een materiaal die mogelijk een belangrijke rol kunnen spelen in onderzoek naar kwantumcomputertechnologieën.

"De elektronen in zo'n materiaal kunnen niet afzonderlijk worden beschreven", legt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics van de TU Wien uit. "Er zijn zeer sterke interacties tussen deze elektronen, ze interfereren met elkaar als golven volgens de wetten van de kwantumfysica, en tegelijkertijd stoten ze elkaar af vanwege hun elektrische lading."

Het is precies deze sterke interactie die leidt tot excitaties van de elektronen, die alleen met zeer uitgebreide wiskundige methoden kunnen worden beschreven. In de materialen die nu worden bestudeerd, speelt topologie ook een belangrijke rol - het is een tak van de wiskunde die zich bezighoudt met geometrische eigenschappen die niet worden veranderd door continue vervorming, zoals het aantal gaten in een donut, dat hetzelfde blijft, zelfs als de donut is licht geperst.

Op een vergelijkbare manier kunnen elektronische toestanden in het materiaal stabiel blijven, zelfs als het materiaal enigszins wordt verstoord. Dit is precies waarom deze toestanden zo handig zijn voor praktische toepassingen zoals kwantumcomputers.

De computer gebruiken om mogelijke kandidaten te identificeren

Het is onmogelijk om het gedrag van alle sterk op elkaar inwerkende elektronen in het materiaal te berekenen - geen enkele supercomputer ter wereld is daartoe in staat. Maar op basis van eerdere bevindingen is het nu mogelijk geweest om een ​​ontwerpprincipe te ontwikkelen dat gebruikmaakt van vereenvoudigde modelberekeningen in combinatie met wiskundige symmetrie-overwegingen en een database van bekende materialen om suggesties te geven over welke van deze materialen de theoretisch verwachte topologische eigenschappen zouden kunnen hebben.

"Deze methode leverde drie van dergelijke kandidaten op, en we hebben vervolgens een van deze materialen geproduceerd en in ons laboratorium bij lage temperaturen gemeten", zegt Silke Bühler-Paschen. "En inderdaad, deze eerste metingen geven aan dat het een sterk gecorreleerd topologisch halfmetaal is - het eerste dat op theoretische basis met behulp van een computer kan worden voorspeld."

Een belangrijke sleutel tot succes was om de symmetrieën van het systeem op een slimme manier te benutten:"Wat we postuleerden was dat sterk gecorreleerde excitaties nog steeds onderhevig zijn aan symmetrie-eisen. Daarom kan ik veel zeggen over de topologie van een systeem zonder toevlucht nemen tot ab initio-berekeningen die vaak nodig zijn, maar bijzonder uitdagend zijn voor het bestuderen van sterk gecorreleerde materialen", zegt Qimiao Si van Rice University. "Alles wijst erop dat we een robuuste manier hebben gevonden om materialen te identificeren die de eigenschappen hebben die we willen." + Verder verkennen

Natuurkundigen demo methode voor het ontwerpen van topologische metalen